Расчет теплонасосной установки

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ"

Нижнетагильский технологический институт (филиал)

Кафедра "Промышленная теплоэнергетика"

Курсовая работа

Расчет теплонасосной установки

Преподаватель: В.К. Кривошеенко

Студент: В.Л. Карманов

гр. ПТЭ 51

Нижний Тагил

2013 г.

Оглавление

насос термодинамический конденсатор компрессор

Введение

. Исходные данные

. Расчет

.1 Описание термодинамических процессов происходящих в ТНУ с рабочим телом

.2 Определение энергозатрат в теплонасосной установке

.3 Выбор конденсатора и компрессора

Выводы

Библиографический список

1. Введение

История тепловых насосов

Тепловыми насосами называются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии в форме теплоты от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения. Основное назначение этих установок состоит в использовании теплоты низкопотенциальных источников, например: окружающей среды, сбросной теплоты после технологических процессов в промышленных установках, геотермальных вод и т.д.

Патент на технологию тепловых насосов был выдан в 1912 году в Швейцарии. Дальнейшее своё развитие теплонасосные установки получили только в 20-х и 30-х годах XX века, когда в Англии была создана первая установка, предназначенная для отопления и горячего водоснабжения с использованием тепла окружающего воздуха. После этого начались работы в США, приведшие к созданию нескольких демонстрационных установок.

Толчок к развитию системы ТН получили после энергетических кризисов 1973 и 1978 годов. В начале своего развития системы ТН устанавливались в домах высшей ценовой категории, но за счет применения современных технологий тепловые насосы стали доступны многим людям. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы.

Применение тепловых насосов в мире

На сегодняшний день тепловой насос является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования. Тепловые насосы получили широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Сообщества. ТН устанавливаются в общественных зданиях, частных домах и на промышленных объектах.

К настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов в мире ошеломляют:

В США ежегодно производится около 1 млн тепловых насосов. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.

В Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой + 8° С.

В Германии предусмотрена дотация государства на установку геотермальных тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.

·   В мире по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%

Принцип действия теплового насоса

Насос включает в себя следующие основные составляющие:

·              два теплообменника (радиаторов) - холодный (испаритель) и горячий (конденсатор) (в нашем случае холодный слева, а горячий справа);

·              компрессор;

·              дросселирующее устройство;

·              хладагент (в качестве хладагента может быть использован любой газ, имеющий разумное значение давлений насыщенных паров при интересующих нас температурах; обычно это разные марки фреонов или пропан - бутановые смеси.

Рис.1. Принципиальная схема компрессионного идеального теплового насоса (а) и его цикл в Т-S − диаграмме (б), К ― конденсатор; И ― испаритель; КМ ― компрессор; ДВ ― дроссельный клапан

На рис.1б изображен круговой процесс идеальной компрессорной теплонасосной установки в T-S- диаграмме, на которой 1- 2 - изоэнтропное сжатие влажного пара от давления в испарителе до давления в конденсаторе; 2 -3 - изобарно - изотермическая конденсация Р.Т.; 3 - 4 ― изоэнтальпийное расширение в дроссельном клапане или в детандере Р.Т. до давления в испарителе; 4-1 - изобарно - изотермическое кипение (испарение) Р.Т. в испарителе.

Газ сжат до давления Р₁ и попадая на холодные трубки, малая часть его быстро конденсируется на них, отдавая теплоту конденсации, и нагревая их до температуры точки росы для данного давления. После этого основная часть без препятствий попадает в "горячий" теплообменник, в котором обменивается теплом со средой, имеющей температуру ниже точки росы, опять же, для данного давления. Газ при этом конденсируется весь, отдавая тепло среде. В данном случае давление не будет падать, так как компрессор постоянно подгоняет новые порции газа, компенсируя сконденсированную часть. Далее жидкий хладагент вытесняется через дросселирующее устройство в область низкого давления, причем опять малая часть быстро испаряется, охлаждая трубки и остальную часть до температуры ниже температуры кипения для этого давления. Оставшаяся жидкость испаряется в "холодном" теплообменнике, забирая тепло и, соответственно, охлаждая среду, имеющую температуру несколько выше, чем температура кипения для этого давления - давление при этом не растет, так как постоянно газ откачивается компрессором.

Таким образом, весь процесс идет за счет разницы давлений, обеспечиваемой компрессором и дросселирующим устройством.

1. Исходные данные

Вариант №20.

Низкотемпературным источником в рассчитываемой ТНУ является оборотная вода от водяного теплообменника газохода установки "печь - ковш" конверторного производства ОАО "НТМК".  После теплообменника вода имеет температуру Т = 328^оК и направляется в цеховые градирни для охлаждения и повторного использования, т. е. мы имеем сбросовую теплоту, которую используем в ТНУ для нагрева холодной питьевой воды для нужд горячего водоснабжения конверторного цеха. Температура холодной питьевой воды составляет Т_х.и.= 288^оК и после нагрева в конденсаторе Т = 338^оК.  В качестве Р. Т. в ТНУ применяется фреон - 12, его химическая формула CF₂CI₂ (дифтордихлорметан) и имеет обозначение по международному стандарту ISO 817 - 74. R - 12.

2. Расчет

Расчет ТНУ сводится к определению:

- энергозатрат;

коэффициента преобразования энергии;

коэффициента полезного действия ТНУ;

массового расхода хладоагента;

количества нагреваемой воды для горячего водоснабжения;

удельного расхода условного топлива на получение единицы полезной теплоты в ТНУ.

удельного расхода топлива на выработку теплоты на ТЭЦ.

.1 Описание термодинамических процессов происходящих в ТНУ с рабочим телом

Тот факт, что воду необходимо нагревать от Тґв = 288 єК позволяет не только охладить пар Р.Т. 2 - 2ґґ (см. рис.2) и сконденсировать его по линии 2 - 3 но и охладить жидкий фреон по линии 3 - 3ґ отдавая теплоту нагреваемой воде, т.е. потребителю. Для этого в конденсаторе - теплообменнике организовано противоточное движение нагреваемой воды и греющего пара фреона.

Образовавшийся в теплообменнике жидкий фреон переохлаждается от температуры насыщения T_s = 363^oК при Р = 2,3 МПа до температуры 293^оК при давлении Р = 0,6 МПа.

В результате процесс дросселирования 3ґ - 4ґ протекает с меньшими эксергетическими потерями по сравнению с 3 - 4. После дросселирования получается более влажный пар (x = 0,05) (точка 4ґ), который забирает от низкотемпературного источника теплоту большую, чем при дросселировании без охлаждения (3 - 4). Соответственно и потребителю каждый килограмм фреона передает большее количество теплоты

Для определения основных параметров Р. Т. воспользуемся таблицами и Т - S диаграммой. Все контрольные параметры занесем в таблицу 1.

Таблица 1. Контрольные параметры ТНУ

2.2 Определение энергозатрат в теплонасосной установке

Для проведения расчета энергозатрат используем данные табл.1.

Удельная внутренняя работа на единицу расхода рабочего тела:

_в = ( h₂ґ - h₁) / η_і,

где:

h₂ґ - h₁ - разность энтальпий при изоэнтропном сжатии;

- η_і - внутренний относительный (индикаторный, адиабатный) КПД компрессора. Для предварительных расчетов можно принимать η_і = 0,75 ч 0,85. Принимаем 0,8.

lв = ( 589-552) / 0,8 = 29,6 кДж/кг.

Удельная затрата электрической энергии на привод компрессора:

= l_в/η_эм

где:

η_эм - электромеханический КПД компрессора (в среднем η_эм = 0,9 ч 0,95).Принимаем 0,93;в - удельная внутренняя работа на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.

l = 29,6 / 0,93 = 32 кДж/кг.

Удельное количество теплоты, подведенной в испарителе на единицу расхода рабочего тела:

q0 = h1 - h₄

где:-h4 - разность энтальпий при изобарно-изотермическом расширении в испарителе, кДж/кг.

qо = 552 - 400 = 152 кДж/кг.

Удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела:

qк = h₂ - h₃

где:-h2 - разность энтальпий при изотермическом расширении в конденсаторе, кДж/кг.

к = 598 - 419= 179 кДж/кг.

Удельный расход электрической энергии на единицу теплоты повышенного потенциала отводимой из конденсатора:

э = l / q_к

где:

l - удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг;к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.

э = 32/ 179 = 0,18 кДж/кг.

Коэффициент преобразования энергии:

μ = q_к / l

где:

q_к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг;

l - удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг

µ= 179 / 32 = 5,59

Коэффициент полезного действия ТНУ:

где:

q_к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг;- удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг.

η = ( 1 - 306/353)*5,59 = 0,73

Массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке:

= Q_в / q_к

где:_в - расчетная тепловая мощность ТНУ, кДж/с;

q_к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.

G = 420 / 179 = 2,35 кг/с.

Мощность электропривода компрессора, кВт:

_к = Gl

где:

G - массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке, кг/с;- удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг.

Nк = 2,35 *32 = 75,2 кВт.

Расчетная тепловая нагрузка испарителя, кДж/с:

Q_о = G q_о

где:

G - массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке, кг/с;

q0 - удельное количество теплоты подведенной в испарителе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.

Qо = 2,35*152 = 357,2 кДж/с.

Тепловая нагрузка конденсатора:

к=G*qк

где:

G - массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке, кг/с;

q_к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.

к = 2,35*179= 420,65кДж/с.

Количество тепла, полученного в конденсаторе:

гвс = Qк*G*0,95 / iгвс ,

где:

Qк - тепловая нагрузка конденсатора, кДж/с;

q_к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг;

0,95 - коэффициент, учитывающий потери теплоты конденсатором в окружающую среду (потери составляют 5%);гвс - теплосодержание воды при ∆Тср=85-15=65єС.

Gгвс = 250*1,47*0,95/179,8 = 1,94 кг/с.

где: 272,4 - теплосодержание воды при средней температуре, кДж/кг. И теплоемкости воды С_в =4,19 кДж / кг град

Расчет расхода условного топлива на получение единицы полезной теплоты с помощью ТНУ:

Где a ─ 34,1кг/ГДж;

- ηк ─ КПД выработки электроэнергии на КЭС, в среднем 0,32 ч 0,34. Принимаем 0,32;

- φс.н. ─ коэффициент собственных нужд КЭС, обычно 0,04 ─ 0,06. Принимаем 0,04;

-ηэ.с. ─ КПД электрической сети, 0,94 ч 0,96. Принимаем 0,94

µ - коэффициент преобразования энергии.

bтну = 34,1/ (0,32*5,59*(1 - 0,04)*0,94 = 21 кг/ГДж.

Расчет удельного расхода условного топлива на выработку теплоты на ТЭЦ:

где: - 34,1 - количество условного топлива ,кг, при сжигании которого выделяется 1 ГДж теплоты;

ηк.с. ― КПД котельных, ηк.с. = 0,88 ч 0,92.Принимаем 0,91.

bт = 34,1 / 0,91 = 37,5 кг / ГДж

По результатам вычислений bтну, bт, следовательно, экономичнее применять ТНУ для выработки тепла при средних тепловых нагрузках. При этом, нужно заметить, что принятый КПД ТЭЦ больше КПД районных и местных отопительных котельных.

Определяем общее количество теплоты, подведенное в испаритель:

= 0,86*iх.т

где: 0,86 - перевод кДж / с в кВт;

iх.т. - теплосодержание холодного теплоисточника подведенного в испаритель, кДж/кг.

Q0 = 0,86*400=344 кВт

После определения числовых значений Qo и используя значение q, определяем площадь передающей поверхности F:

F = Qо ⁄ q,

где: q - плотности теплового потока который должен быть в пределах q = 4ч 5 кВт/м^2.

= 344/5= 68,8 м²

По определенной величине F выбираем испаритель.

Для нашей ТНУ выбираем испаритель ИТР-70 с площадью передающей поверхности 70/21,0 м²

Параметры горизонтального кожухотрубного фреонового испарителя затопленного типа ИТР -70 приведены в табл.2

Таблица 2

Кожухотрубные испарители затопленного типа обладают некоторыми преимуществами по сравнению с аппаратами других типов. К ним относятся: закрытая система циркуляции хладоносителя, обеспечивающая меньшую его аэрацию и в, следствии этого меньшую коррозию оборудования; большая компактность, относительно высокая тепловая эффективность и др. Серьезным недостатком кожухотрубных испарителей является опасность замерзания в трубах хладоносителя при прекращении его циркуляции.

В кожухотрубных испарителях низкопотенциальный теплоноситель охлаждается при движении внутри труб, а Р.Т. кипит на их наружной поверхности. Трубы в испарителе находятся в пучке и расположены по вершинам равностороннего треугольника.

2.3 Выбор конденсатора и компрессора

В практике нашло широкое применение использование агрегатных установок. Под компрессорно-конденсатным агрегатом понимается объединение компрессора с конденсатором, это определяет компактность и экономичность ТНУ. По расчетной мощности компрессора N = 75,2 кВт определяем агрегат с компрессором П 110 и конденсатором КФ-130.

Таблица 3

Таблица 4. Результаты расчета теплонасосной установки